纤维增强复合材料在新能源汽车上的运用.ppt

新能源汽车 汇报人 赵利亚指导老师 李又兵 新能源汽车 随着世界经济的快速发展 能源与环境已经成为人类发展和生存的重大问题 内燃机汽车使用的燃料均为一次性能源 开发使用后便不可再生 随着全球能源消耗的增加 地球的矿物能源已面临枯竭环境问题也日益突出 在世界各地的大 中城市 大气污染物中约40 70 来自内燃机汽车的尾气排放 中国大城市的污染状况目前是全世界最为严重的 全世界空气污染最严重的20个城市中 有10个在中国 而中国华北 华东的大城市调査中 大气污染的70 来自于汽车的尾气排放 基于这些原因 新能源汽车就成为解决能源与环境问题的一个选择 新能源汽车的发展史 能源危机 环境污染 日益增长的汽车总量 矛盾 汽车发展趋势 未来10年将迎来全球汽车产业转型升级 节能汽车指以内燃机为主要动力系统 综合工况燃料消耗量提前达到下一阶段目标值标准的汽车 新能源汽车指采用新型动力系统 完全或主要依靠新型能源驱动的汽车 轻量化是产业发展的必然趋势 汽车发展的趋势 智能化 节能 环保 作为全球汽车产销第一大国 中国必须把握汽车未来发展的趋势 城市化 人口增加 成本压力 宏观经济 为什么要做轻量化 理由一 国家政策 节能惠民 国家法规 严格油耗 国家战略 节能减排 2015年CO2排放155g km 2020年CO2排放112g km 2015年节能惠民5 9L 100km 2020年节能惠民4 5L 100km 2015年平均油耗6 9L 100km 2020年平均油耗5 0L 100km 轻量化与油耗 性能的关系 逸动实际试验结果 1 实际油耗 整备质量每减重100kg 油耗降低约0 4L 100km 2 加速性能 整备质量每减重100kg 0 100km h加速性提升8 10 3 制动性能 整备质量每减重100kg 制动距离缩短2 7m 整车轻量化是实现节能减排提升产品竞争力的重要途径 为什么要做轻量化 理由二 随着新能源汽车的发展 新的能源系统带来的车身重量增加 汽车轻量化发展趋势事在必行 以纯电动汽车电池系统的重量为例 普通电池系统净增加整车重量250 400kg 为什么要做轻量化 理由三 空气阻力 对油耗贡献约25 与整备质量无关联 而大约油耗的75 与整备质量有关 滚动阻力对油耗贡献约35 加速阻力和爬坡阻力对油耗贡献约40 决定油耗的因素 FWi 牵引力FR 滚动阻力FL 空气阻力FSt 爬坡阻力FB 加速阻力 FWi FR FL FSt FB 减重与油耗的关系 汽车整备质量每减少100Kg 百公里油耗降低0 3 0 6L 车重减小10 可降低6 8 的油耗 降低5 6 的排放 轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一 轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一 降低整车油耗的标准途径 1 改善发动机性能 提高燃烧效率 动力更新换代技术难度大 耗资多 对汽车产业链带动不明显 2 减轻汽车自重 进行汽车的轻量化设计 节能效果排第二位 涉及面广 可以带动原材料和零部件等汽车产业的的发展 最容易实现 3 提升汽车的空气动力学性能 降低滚动阻力 风阻系数主要由造型决定 不可能所有车都像赛车一样风阻系数降得很低 4 提高动力传动效率 减小功或动力传递损失 能量传递总是有损失的 纵观汽车重量的变化历史 因对汽车安全性 功能性要求的增加 整车重量逐渐增加 但进入21世纪后 越来越严格的环保和排放法规要求 目前整车重量呈明显现下降的趋势 奥迪A6七代车型重量的变化历程 汽车重量的变化历程 安全性提高 舒适性和功能的增加导致重量增加 油耗与排放的要求使汽车轻量化成为必然趋势 1160Kg 1230Kg 1545Kg 1790Kg 1990Kg 2050Kg 1980Kg 2012 复合材料的使用时整车轻量化的主要途径之一 整车轻量化的途径 国内外新能源汽车的主要政策 复合材料在汽车上的应用历程 在塑料及其复合材料在汽车上的应用历程上 中航复合材料有限责任公司李宏远副总经理的 复合材料在汽车领域的应用 报告认为 1 成熟的第一步 通用改性塑料 比如PP PVC ABS及PA等耐热热增强改性 主要应用在汽车内外装饰件上 2 进行的第二步 长 短玻璃纤维增强复合材料 主要应用于汽车部分结构件和功能件上 是目前广泛应用于汽车上的重要复合材料 纤维热塑性塑料 SMC BMC 纤维热塑性塑料 GMT LFT 3 关键的第三步 汽车用复合材料关键性的第三步 碳纤维增强复合材料 CFRP 主要应用于车身承载结构件 4 追求的第四步 追求绿色的第四步 天然植物纤维增强复合材料 主要应用于汽车内外装饰件 有机回收 环保 汽车用复合材料成型工艺 玻璃纤维增强型热塑性塑料 GMT 手糊成型 HLU 缠绕成型 FW 块状成型 BMC 片状成型 SMC 树脂传递模塑 RTM 复合材料在汽车上的运用趋势 高分子复合材料具有比强度 比模量大 耐疲劳性能好 阻尼减震性好 破损安全性高和耐腐蚀性能优越等特点 因此高分子复合材料的使用能够在使得汽车在节能减重的同时更具安全和舒适性 典型乘用车所用材料 典型乘用车所用材料 典型乘用车所用材料 中国自主品牌碳纤维轻量化技术应用现状及碳纤材料轻量化 国内CFRP使用情况 节能与新能源汽车产业发展规划 2015年产销量50万輛油耗当量提升为14 5KM L2020年产销量超过500万輌油耗当量提升为20KM L新能源汽车 动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平 CFRP在气车工业中 年用量比例还不大 应用较为成熟的技术大部分仅集中在非连续纤维复合材料成型工艺上 在连续纤维快速成型方面 只重点突破了以热塑性复合材料快速热压成型和快速树脂流動成型为代表的低成本复合材料部件制造关键技术 实现了部分连续化自动化生产 及连续破纤维复合材料片材 板材及部分部件的连续自动化制备 初步建立了车用复合材料部件生产示范线 合材料汽车部件的自动化设备 效率达到56件 天 分别采用阴离子聚酰胺6 APA6 及聚环状对苯二甲酸丁二醇酯 PCBT 热塑性单体 经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料气车底板 突破了碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术 在热压成型工艺 液态成型工艺 设计技术 连接技术以及关装备等方面取得重要进展 中科院宁波材料技术与工程研究所 化学研究所等单位联合研制出连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备 及连续碳纤维复 上汽荣威E50三明治结构碳纤维引擎盖8kg降重3kg 奇瑞某新车型碳纤维复合材料前罩 长城 上汽 奇瑞 北汽 东风 比亚迪等汽车主机厂都在开展碳纤维复合材料在汽车上的应用研究 但都基本停滞在外覆盖件样件展示 奇瑞碳纤维 小蚂蚁 概念车亮相2012年北京车展 北汽concept900 轿跑型概念车碳纤维鸥翼式车门 2013年上海车展 哈弗H6碳纤维改装车 前罩 前后保险杠 中国自主品牌的碳纤维轻量化技术零部件现状 奇瑞碳纤外覆盖件 含侧围和地板 正在开发的碳纤维零部件 S301碳纤维传动轴 钣金1725kg 其中中间轴管重量4 825 预计可以实现减重2 7kg 目前正在与陕西新思维 哈玻院等进行样件开发工作 碳纤维 长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路 总成替代设计 装配分析 CAE验证 摆臂材料演变及减重效果示意 目的 技术积累和实验验证 碳纤维地板 顶盖开发 与中科院宁波所 湖南大学等单位合作 拟在2017年入门级EV纯电动车上搭载开发碳纤维地板和顶棚 进行实车实验验证 进行碳纤车身开发技术积累 长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路 汽车顶盖 BMWI3对标与解析 长安提前组建了项目团队 制定了对标解析工作计划 预计2015年4月完成各项性能测试 与合作伙伴一道开始系统性地解析对标 长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路 碳纤维 黑车身 及复合材料汽车开发 对标BMWI3整车结构布置 性能 电池控制系统 研究材料 成型工艺 连接技术 涂装工艺技术 维护维修 回收再利用技术 开发碳纤维 黑车身 打造全新材料和结构轻量化汽车 长安汽车复合材料轻量化技术应用工作及其思路 对标BMWI3整车结构布置 性能 电池控制系统 研究材料 成型工艺 连接技术 涂装工艺技术 维护维修 回收再利用技术 开发碳纤维 黑车身 打造全新材料和结构轻量化汽车 碳纤维 黑车身 应用研究和开发 是自主品牌汽车行业轻量化的 中国梦 目标与挑战 掌握碳纤维复合材料整车仿真技本及应用关键技本 研究材料性能对零件CAE 整车CAE 碰撞 NVH 疲劳耐久和车内空气质量等的影响 突破碳纤维整车结构设计技术 连接装配技术 表面涂装工艺技术和快速成型工艺技术瓶颈 完成碳纤维黑车身 包括覆盖件 结构设计和性能分析 及实验验证 开发思路 单件 系统 整车 试验通过后层层推进 碳纤维黑车身 复合材料汽车 中科院深圳先进技术研究院汽车电子研究中心等单位研制的国内首部碳纤维电动汽车 整车大量使用碳纤维部件 大大降低了车身重量 仅有1 1吨 轮毂减重29 阻尼系数提高15倍 且达到良好的减压性能 通过复合材料体系研究 复合材料结构件设计 快速成型工艺研究以及复合材料结构件性能验证与评估 基本突破了汽车结构件用复合材料的关键技术 对国产碳纤维复合材料汽车结构件的设计和快速制造提供了有利的支撑 中国科学院宁波材料技术与工程研究所与奇瑞气车联合打造的碳纤维插电式混合动力车 艾瑞泽7 车型 车身采用CFRP 外売重量減轻10 油耗降低7 车身总体減重达40 60 后 整体可操控性强 带来更为出色的加速感受 长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂 北京航空航天大学 北京纳盛通新材料科技有限公司 北京中材汽车复合材料有限公司自主设计研发的长碳纤维增强热塑性 尼龙 复合材料 LCFT 轮毂 比汽车铝轮毂可大幅减重40 60wt 尺寸精度更局 抗疲芳 抗蠕变 耐热 耐环境性能等性能更加优异 生产效率更高 成本更低 且可回收循不使用 该注塑工艺已在保险紅 发动机罩盖等非承力件大量使用 国产CFRP电动车 中科院宁波材料所奇瑞CFRP电动车 奥迪A3CFRP电动车 东风CFRP内装饰电动车I car 莲花CFRP车身电动车 北汽CFRP车身电动车 国产CFRP大车及零件 中联重科CIFACFRP超长臂架泵车 中集碳纤维箱体车 CFRP进气套件 CFRP中控台 轿车CFRP底盘 CFRP后视镜 国内外汽车行业轻量化差距 数据显示 中国乘用车重量平均比欧洲汽车重5 10 商用车的数字则是17 Page38 三 碳纤维增强复合材料在汽车工业中的应用前景 1 碳纤维复合材料在汽车工业中应用的方向 车身内 外装饰部件新能源汽车整体车身和部件结构承载部件商用货车车厢 传动轴 碳纤维车轮 防撞溃缩系能结构部件 市场 碳纤维材质音箱 碳纤维这种材料虽然强度超高 但自身的色彩非常单一 不过技术公司Hypetex已经率先研发出了彩色碳纤维材料 最近 这家原本为F1赛车服务的公司又进一步拓宽了自己的业务范围 他们联合高端音频厂商WilsonBenesch开发了一部碳纤维材质的扬声器 A C T OneEvolutionP1的外型风格和F1赛车相得益彰 它拥有4个驱动单元 外壳采用红色碳纤维 在目前的音频市场可谓是独一无二的存在 它的重量达到50千克 机身结构完全由碳纤维和合金所制作 同时也维持了WilsonBenesch一贯的音频质量 Page40 2 碳纤维复合材料在汽车工业中应用需要解决的问题 首先要解决的是理念问题 复合材料不应作为金属材料的替代材料 重点在于碳纤维复合材料在汽车上应用的系统解决方案复合材料供应商与汽车制造企业的合作模式 战略合作发展低成本材料 大丝束碳纤维及其织物有吸引力的价格 70元 100 公斤 5 lb 碳纤维三维立体织物制造技术高效率低成本的制造工艺技术高效率RTM工艺 LFT D工艺技术 碳纤维SMC工艺技术 热塑性连续碳纤维